Ю.Н.Бондаренко. Полет на Марс:Зачем и как

Марс

Проект этот — сугубо эскизный и, так сказать — «физический». По условиям его составления, главное внимание уделялось принципиальной возможности создания такой техники в ближайшем будущем, а также постановке задач для экспедиции. Инженерные решения и оценки (именно — оценки) приводятся тогда, когда автор более-менее уверен в их обоснованности и осуществимости.

Вводная часть


На сайте журнала «Звездочёт» проведена длительная и интересная дискуссия о марсианской экспедиции. Причём, мнения участников разделились. Часть из них считает, что полёт человека к Красной планете не нужен, а другая, наоборот, уверена в необходимости и возможности такого проекта. Автор этих заметок по долгу совести решил написать итоговую статью, так как никто другой не хотел этого делать. Сразу оговорюсь, что принадлежу к тем, кто считает такую экспедицию, (так же, как пилотируемое освоение Солнечной системы) — оправданной и, тем более — необходимой. Поэтому буду приводить доводы «за».

Главные аргументы у меня, и других энтузиастов полёта следующие:

Человечество накопило огромный опыт строительства космических аппаратов. Космическая техника и инфраструктура если и не вполне достаточны для подобного мероприятия, то могут быть развиты достаточно быстро.

Исследования Марса космическими аппаратами уже дали интереснейшие результаты, однако, универсальность человека позволит поднять эффективность экспедиции на порядок.

Организация полёта к Марсу послужит катализатором технического прогресса, позволит отработать технологию межпланетных полётов людей и космических аппаратов большой массы с перспективой создания баз и поселений там, где это возможно и имеет смысл.

Высадка человека на Марс будет иметь большое и положительное значение как «спортивный результат», который, в некотором роде, сплотит человечество на идее того, что «мы все — Земляне»! Мы должны «Вернуться с Земли на Небо» — это наш долг.

Экспедиция с участием людей позволит многократно превзойти все предыдущие экспедиции по результативности в следующих областях: Сбор и предварительное исследование на месте геологических и других образцов, маршрутные исследования, осмотр ландшафтов и возможных необычных структур. Сейсмозондирование с большими базами на маршрутах. Проверка на практике биологической активности планеты, так как экспедиция будет длительное время контактировать с веществом Марса. Возможные последствия такого контакта однозначно дадут ответ на вопрос: являются ли марсианские формы жизни (если они есть) опасными для человека. (Такая проверка таит некоторый риск, но, учитывая весьма суровые условия на Марсе и то, что возможные марсианские организмы наверняка отличаются по своей биохимии — опасность представляется небольшой.)

Экспедиция позволит с высокой достоверностью узнать, есть ли на Марсе современные формы жизни, была ли там жизнь в прошлом, и, до некоторой степени проверить, было ли посещение Марса иными, нечеловеческими цивилизациями.

Наблюдения с поверхности Марса метеоров позволят неизмеримо больше узнать о количестве и составе метеорного вещества в этом районе Солнечной системы.

Возможна постановка и иных экспериментов, например, установка на околомарсианской орбите радиотелескопа для межпланетного радиоинтерферометра.

Технологические наработки при организации экспедиции могут быть использованы для дальнейшей экспансии человека в космос. Разработка транспортной системы Земля-Марс и базы на поверхности потребуют больших усилий и затрат квалифицированного труда, позволят разработать новые технологии, удешевить космический транспорт и поднять практическую космонавтику на более высокий уровень.

Марс намного более похож на Землю, чем на Луну. На нём есть атмосфера и вода, что даёт явные и большие преимущества при организации временной или даже постоянной базы.

Ключевым в этом плане должно быть создание достаточно дешёвых, лёгких, простых и надёжных в эксплуатации ядерных реакторов для получения тепла и электричества. На Марсе есть углекислый газ и вода. Уже существующие технологии позволят получать из них жидкое углеводородное топливо и жидкий кислород. А с учётом того, что для выхода на орбиту вокруг Марса достаточно хорошей одноступенчатой ракеты, база на Марсе представляется намного перспективнее лунной, так как отпадёт надобность для доставки топлива для обратного старта. Ядерные двигатели пока не позволяют стартовать с поверхности больших планет, и Марс здесь имеет большие преимущества перед Луной.

Разумеется, первые экспедиции будут использовать привезённое с Земли топливо, но в дальнейшем его можно будет получать на месте.



Транспортная система


Для полёта к Марсу может быть применена обычная «керосиновая» ракетная техника. Однако доставка на орбиту вокруг Земли требуемого количества топлива — достаточно сложная и дорогая задача. «Химическая» ракета сможет обеспечить полёт к Марсу небольшого корабля с малочисленным экипажем даже при стартовой массе в тысячи тонн. Такой вариант хорош, если главная цель — ценой больших затрат и риска «воткнуть флаг», но для серьезной работы необходимо техническое обеспечение более высокого уровня.

Проблема доставки на низкую околоземную орбиту требуемого количества топлива и оборудования могла бы быть решена при применении «космического лифта» либо газовой пушки для разгона второй ступени ракет. Такие проекты пока представляются отдалённой перспективой и сами по себе требуют больших затрат труда и времени. «Космический лифт» может быть создан только при наличии материалов с прочностью, на два-четыре порядка большей, чем у известных материалов. Поэтому мы рассмотрим возможность создания ядерного планетолёта с примерными характеристиками: Стартовый вес с орбиты Земли —1000 тонн. Тяга двигателя — 100 кГс, скорость истечения рабочего вещества — 20 000 м/сек. Набор скорости за весь полёт — 40 000 м/сек. Масса корабля, возвращённого на орбиту вокруг Земли — 1/7 стартовой массы — 140 тонн — (совершенно недостижимо для «химической» ракеты). Покажем, что создание такого корабля возможно в близкой перспективе:

Ядерный двигатель для перевода космического аппарата с низкой околоземной орбиты на орбиту вокруг Марса требует достаточно большой тяги. Для корабля массой в 1000 тонн тяга должна составлять хотя бы сто килограмм силы, иначе срок разгона будет слишком большим (т. н. — «критерий Дилетанта»). Поэтому заведомо неприемлемыми оказываются ионные двигатели с большими скоростями истечения. Они требуют слишком мощного источника электричества на борту корабля.

Подходящим вариантом представляется плазменный двигатель со скоростью истечения — примерно 10-20 км/сек, питаемый от ядерной паротурбинной установки. Такие двигатели уже разрабатываются. (Данные можно найти в «Викпедии») Весьма неприятным свойством такой системы будет необходимость сброса тепла после турбины при относительно низкой температуре, что потребует очень больших радиаторов. Проблема может быть решена применением турбин на парах металла, например — ртути или цезия.

Альтернативным может быть реактор с прямым нагревом водорода в активной зоне реактора, но существующие двигатели такого рода имеют малый ресурс и слишком малую скорость истечения. Эта скорость ограничена возможностью нагрева и, следовательно, теплостойкостью конструкции реактора. Она не может быть существенно увеличена. Наоборот, увеличение ресурса реактора, возможно, потребует некоторого снижения рабочей температуры и, соответственно, удельного импульса. Кроме того, в двигателях с прямым нагревом имеет смысл применять в качестве рабочего вещества только водород, хранение которого во время длительного полёта представляет собой исключительно трудную задачу.

Двигатели, имеющие источником энергии свет Солнца, могут использоваться для транспортировки грузов к Марсу, но для полёта людей они малопригодны из-за малой тяги и большой длительности полёта.

В Интернете выставлен интересный проект плазменного двигателя с высокочастотным нагревом плазмы. Его следует признать малопригодным, так как он требует преобразования энергии в ток высокой частоты, что удорожает, усложняет двигательную установку. КПД при этом — тоже снижается.

Перспективным может оказаться ядерный двигатель с диодным коаксиальным ускорителем плазмы, энергию для которого даёт ядерный реактор. В (1) упомянуты т. н. «термоэмиссионные» преобразователи энергии. Реактор разогревает один из электродов (катод) диодной ячейки до температуры порядка полутора тысяч градусов Цельсия. Катод испускает электроны, которые собираются на аноде. Такое устройство долговечное — 10-20 тысяч часов, имеет КПД порядка двадцати процентов, даёт постоянный ток, который можно без преобразования использовать для диодного ускорителя плазмы. Сброс тепла можно делать при температуре красного каления — примерно 700 градусов Цельсия, что резко снижает площадь радиатора.

Возможно и применение «второй ступени» преобразователя с паротурбинной установкой на парах ртути или щёлочных металлов. Тогда КПД можно будет, вероятно, удвоить, но ценой увеличения радиатора.

Вопрос о такой двигательной установке требует конкретного и многовариантного (инженерного) расчёта, что выходит за рамки данной работы, так как требует подробных сведениях о возможных технологических решениях.

Однако можно привести некоторые детали «эскизного проекта».

Ядерный реактор с тепловой мощностью в сто тысяч киловатт с термоэмиссионным преобразователем мощностью в двадцать тысяч и турбиной такой же мощности даёт электрическую мощность 20-40 тысяч киловатт.

Этот ток питает плазменный ускоритель с КПД 50 процентов и скоростью истечения рабочего вещества 20 000 метров в секунду.

В секунду выбрасывается 50 грамм массы, что даёт тягу в сто кГ-силы. Двигатель с такой тягой обеспечивает разгон корабля массой 1000 тонн — до скорости 10 км/сек за сто дней. Для всего полёта потребуется «сжигание» в реакторе 300-500 кг урана или плутония.

Рабочим веществом плазменного ускорителя может, в принципе, быть любое вещество. Но это — в «первом приближении».

Наверняка есть наиболее оптимальные варианты. Мы можем пока отметить следующие моменты: Поскольку рабочее тело не является источником энергии, и может быть, в принципе, любым, то неплохо было бы пополнять его запас «местными ресурсами». Это мог бы быть, например, углекислый газ (Марс), лёд, метан и другие летучие вещества спутников Юпитера, — любое легколетучее вещество, которое может быть быстро и просто добыто вблизи цели путешествия. Такой вариант мог бы значительно уменьшить массу корабля, увеличить в разы ускорение и конечную скорость. Снизить затраты доставки рабочего вещества на низкую орбиту с Земли. Однако, плохая изученность таких «ресурсов» делает их ненадёжными и пока — фактически непригодными.

На первых порах рабочее вещество придётся брать с Земли.

Здесь могут быть интересными следующие варианты: Эвтектический сплав натрий-калий высокой чистоты. Он инертен к большинству металлов даже при высоких температурах. Сплав дешёв, баки не нужно термостатировать. Их нагрев даже до сотен градусов не приведёт к повышению давления. Сплав жидкий до температуры минус тринадцать градусов Цельсия. Баки можно делать с очень тонкими стенками из стальной фольги, так как ускорение корабля — крайне мало. Сплав можно подавать в двигатель насосом, он легко испаряется, сорбируясь на катоде ускорителя плазмы — резко увеличивает эмиссию. Плотность этого сплава — как у воды. Тысяча тонн занимает объём диаметром 7 метров и длинной — 30. Отработанные баки можно сбрасывать, а несущая конструкция всей сборки должна выдерживать только усилие тяги двигателя — 100 кГ силы, либо половину своего веса на Земле, если в полёте будет создаваться искусственная гравитация.

Второй вариант: В плазмотроне сгорает стержень из магния диаметром около пятидесяти миллиметров. Магний может содержать присадку бария для увеличения термоэмиссии. Прутки магния имеют на концах резьбу и свинчиваются перед подачей в двигатель. Сам стержень может быть катодом для вакуумной дуги, что снимает проблему стойкости катода. Достаточно большая летучесть магния позволяет надеяться на слабое «напыление» на детали конструкции.

Катод ускорителя плазмы для металлического рабочего тела, возможно, удастся реализовать в виде полого катода с подачей в полость рабочего вещества. Такая конструкция неплохо показала себя в смысле увеличения тока разряда и стойкости против эрозии. (2)

Магний для своего хранения вообще не требует баков и может хранится неограниченное время на «внешней подвеске». Этот вариант является идеальным для снижения массы конструкции.

Тогда корабль может выглядеть так: несущая конструкция длиной около ста метров. Впереди – жилой отсек, окружённый со всех сторон баками с топливом, либо – пакетами стержней из магния для защиты от космического излучения. В хвостовой части – реактор и двигатель.

Такая конструкция, однако, не обеспечивает возможности «раскрутить» корабль для того, чтобы иметь искусственную силу тяжести. Жить без неё длительное время человеку будет некомфортно. Гораздо удобнее будет корабль из двух частей, связанных тросом, посредине которого находится реактор и двигатель. При длине троса порядка двухсот метров, гравитационное поле будет практически неотличимо от земного. Раскрутку такого корабля придётся делать также плазменным двигателем, что несколько усложнит конструкцию корабля и его эксплуатацию. Но выигрыш от комфортности компенсирует эти неудобства.

Вариантом этого способа создания искусственной гравитации будет следующий: стартуют два корабля одинаковой конструкции, причём, один используется, как грузовик, а второй — как пилотируемый. После разгона они соединяются тросом и раскручиваются для создания приемлемой силы тяжести. Причём соединяются хвостовыми частями. Тогда центробежные силы будут действовать вдоль корпуса, что выгоднее в смысле нагрузки на конструкцию. Развернув вектор тяги поперёк направления вращения, можно будет иметь искусственное тяготение в течение всего полёта, кроме, возможно, моментов загрузки и разгрузки корабля. Например — при отделении посадочного модуля. Сценарий полёта с двумя кораблями резко увеличит надёжность и безопасность полётов, так как возвратится на Землю можно будет на одном корабле, хотя и с меньшим комфортом.

Большая, казалось бы — избыточная масса корабля крайне выгодна для защиты экипажа от космического излучения. При большой массе могут даже не понадобится специальные защитные экраны, так как конструкция сама будет служть хорошим поглотителем.



Ядерный реактор двигателя корабля


Для разгона тысячи тонн рабочего вещества потребуется 2*10*14 джоулей энергии. Её можно получить при распаде примерно 500 килограммов урана или плутония. (КПД всей системы принят — 10 процентов.) Потребуется высокотемпературный реактор, конструкция которого способна выдержать температуру 2000-2500 градусов Цельсия. Разработка такого реактора представляет непростую задачу, но облегчается двумя существенными обстоятельствами.

Во-первых, реактор будет работать в вакууме, что снизит требования к химической стойкости материалов. Можно будет широко применять графит, который сравнительно дешёв, прочен (даже упрочняется при повышенной температуре) и имеет малый удельный вес.

Во вторых — реактор будет работать в условиях практической невесомости либо малой гравитации, что снизит нагрузки на конструкцию.

Во третьих — высокотемпературный реактор для прямого нагрева водорода (ядерный ракетный двигатель) был уже создан в СССР, так что опытные образцы уже есть.

Для межпланетных полётов можно использовать и термоядерный планетолёт. Его примерные характеристики: Вид, как у «фотонной ракеты». Длинный цилиндр, впереди — кабина, сзади глубокий вогнутый отражатель плазмы диаметром около ста пятидесяти метров. Дополнительные сведения: «Викпедия, Термоядерные ракетные двигатели»

При работе он раскаляется до температуры около 2700 градусов Цельсия и служит для отражения плазмы назад. Его поверхность облицована достаточно стойким материалом, возможно углеродной тканью. В центре отражателя происходит подрыв термоядерных мишеней с помощью импульсных ионных пучков (ионный термоядерный синтез). Частота подрыва — около ста раз в секунду. Плазма отражается «зеркалом» и, возможно, магнитным полем. Такая ракета, возможно, позволит получить скорость отброса рабочего вещества порядка ста километров в секунду при приемлемой тяге — 100-1000 кГс.

Однако на пути конструирования такого корабля стоят серьёзные проблемы: Ионный термоядерный синтез, несмотря на отличные расчетные характеристики, на практике не проверен. Мишень должна содержать в большом количестве лёгкие химические элементы (например, иметь несимметричную полиэтиленовую оболочку) что усложнит её выброс и «поджиг» на расстоянии десятков метров. Неизбежное наличие в составе продуктов взрыва тяжёлых элементов (висмут, свинец) может привести к быстрому охлаждению плазмы за счёт рентгеновского излучения, что снизит КПД устройства. Эти же ионы могут быстро разрушить материал отражателя.

И хотя разработка такого двигателя представляется весьма перспективной, так как топливо (дейтерид лития) дешевле обогащённого урана и совершенно безопасен при аварии в атмосфере Земли, в ближайшем будущем практически реален планетолёт с ядерным реактором деления.

Следует заметить, что термоядерные двигатели такого типа, так же, как и двигатели с ускорителем плазмы, являются неплохим средством для изменения орбит опасных небесных тел. Их тяга вполне достаточна для увода от земли опасных астероидов или ядер комет.



Экипаж


Несмотря на применение ядерного двигателя, полёт будет длительным. Поэтому экипаж следует укомплектовать, например, пятью семейными парами. Это будет 10 человек. Для корабля массой около ста тонн такой экипаж вполне приемлем.

Если устроить общую кухню — скука на корабле станет совершенно невозможной и время полёта может показаться очень небольшим. Возможные последствия такого подхода к комплектованию экипажа подробно рассмотрены в (3).



Схема полёта:


Старт с низкой орбиты около Земли, разгон около ста суток и такой же срок торможения при подходе к Марсу. Так как тяга двигателя мала, то полёт по оптимальной (Гомановской) траектории невозможен. Разгон и торможение составляют существенную часть времени полёта. Поэтому, пока не произведена детальная проработка сценария полёта, принимается, что до Марса 100.000 000 километров, которые и нужно преодолеть.

На разгон и торможение корабля расходуется около 400 тонн рабочего вещества. Этим рейсом на околомарсианскую орбиту доставляется сто-сто пятьдесят тонн груза (не считая самого корабля). Это груз для высадки на планету. После окончания экспедиции сам корабль –150 тонн и 350 тонн рабочего вещества отправляются к Земле.

Ускорение корабля зависит только от тяги двигателя, которая постоянна, а масса корабля будет уменьшатся во время полёта, поэтому старт с околомарсианской орбиты и разгон для полёта домой потребует только 50 суток, а торможение у Земли — уже только 20-30 суток.

В полёте тратится только топливо. Сам корабль фактически является многоразовым (не считая реактора). После его замены на околоземной орбите, погрузки топлива и груза корабль может отправляться в новую экспедицию. Такое непривычное для современной космонавтики положение дел следует из того, что рабочее вещество планетолёта с ядерным двигателем выбрасывается со скоростью 20 000 м/сек., а не 2,5- 3 км/сек., как в химических двигателях.

Это просто транспортная система другого уровня, чем используемая в настоящее время.



Марсианская база и исследование на поверхности


Условия для жизни на Марсе — занимают промежуточное положение между земными и лунными и ближе к земным. На Марсе есть атмосфера и вода. А это — очень много! Кислород для дыхания можно получить сравнительно просто электролизом воды.

Следует заметить, что весьма смелые проекты получения кислорода (и гелия-три) из лунных пород — не более чем «маниловщина», по крайней мере — для современного состояния химии. На Марсе условия для этого гораздо лучшие. Воду можно добывать из вечной мерзлоты и электролизом разлагать на кислород и водород. Последний, конверсией с углекислым газом, можно превратить в достаточно «тяжёлые» углеводороды — компоненты топлива жидкостно-реактивных двигателей для взлёта с поверхности. Также из этого сырья можно получить полиэтилен и сходные пластики. Поскольку жильё на Марсе должно быть герметичным, а из минерального сырья сделать герметичную оболочку — не просто, то полиэтилен придётся весьма кстати.

Возможно, тяжёлые углеводороды — «керосин» можно будет использовать и в плазменном двигателе ядерного корабля как рабочее вещество, однако его вывод на околомарсианскую орбиту потребует больших затрат топлива, и многократных стартов.

Кислород также может служить компонентом топлива ЖРД, кроме того, он понадобится персоналу базы для дыхания и организации сельского хозяйства на планете.

Относительно первой экспедиции можно предложить следующий план: Планетолёт выходит на орбиту вокруг Марса на такой высоте, что его торможение атмосферой может без труда быть компенсировано ядерным двигателем, например — около тысячи километров. Часть экипажа остаётся на корабле — например — четыре человека, а шестеро — высаживаются на поверхность планеты. Туда же, в контейнерах, с торможением атмосферой, доставляются материалы и вездеходы. (Преимуществом корабля с ядерным двигателем и большой скоростью истечения рабочего вещества является то, что в массе доставляемых грузов можно не очень стеснятся!)

«Планетная» группа оборудует базу, на которой остаются двое космонавтов, а четверо на вездеходе отправляются исследовать планету.

Для планетной группы потребуются автономные ядерные реакторы небольшой мощности, способные дать десять — сто киловатт электрической мощности для получения кислорода, движения транспортного средства (вероятно, это будет колёсный вездеход, на буксире которого будет перемещаться ядерная электростанция) и тепло для обогрева жилищ ночью.

Базу придётся строить, сообразуясь с местными условиями. Поскольку ветры на Марсе имеют большую скорость, то может стать существенным абразивный износ конструкций (например — матирование стеклянных поверхностей). Поэтому базу лучше будет строить на уединённой возвышенности, куда крупному песку подняться труднее.

База должна включать: герметичный жилой отсек, укрытый слоем грунта для защиты от космического излучения, склад, расположенную на некотором расстоянии электростанцию, которую можно скрыть за перегибом местности, защитившись, таким образом, от радиации и «сад-теплицу», где можно будет отрабатывать сельскохозяйственные технологии. Ввиду того, что её можно не слишком защищать от космических лучей, то она может представлять собой надувную конструкцию из прочной пластиковой плёнки. Стенки придётся делать двойными, из-за низких ночных температур.

Давление в теплице достаточно поддерживать на уровне сто пятьдесят миллиметров ртутного столба (хотя для выращивания растений будет достаточно и гораздо меньшего давления— 30-50 мм. рт. ст.). При давлении в одну пятую атмосферы можно будет работать в одних кислородных масках, без скафандров, либо в лёгких «аварийных» скафандрах.

Теплица, в отсутствии облачности будет двенадцать часов в сутки освещаться и обогреваться Солнцем. Так же, при двойных стенках, тепла Солнца хватит для обогрева. Ночью можно будет использовать обогрев теплом реактора, либо искусственно увеличить тепловую инерцию, устроив внутри теплицы бассейн с большим количеством воды.

В силу большой грузоподъёмности корабля, с Земли можно будет доставить достаточно продуктов питания, но выращивание растений на Марсе представляет большой научный и практический интерес, да и как помещение для отдыха такой «оазис» будет кстати.

Разумеется, экспедиции придётся принять меры для защиты Марса от биологического и органического загрязнения. Оно недопустимо, так как может помешать исследованиям. Этот вопрос требует отдельного рассмотрения.

Передвижная экспедиция на вездеходе, снабжённым установкой для бурения и сейсморазведки уходит по маршруту длиной несколько тысяч километров. В случае поломки вездехода маршрутной группе сбросят с орбиты новый, на котором она вернётся на базу, либо взлётную ступень для возвращения на планетолёт. Если маршрут завершается штатным порядком, маршрутная группа возвращается на корабль, а «орбитальная группа» отправляется на Марс для участия во втором маршруте, который будет скорректирован с учётом результатов первого.

Такие возможности открываются также в силу того, что грузоподъёмность ядерного корабля порядка на два выше, чем у «керосинового».

Следует заметить, что большие запасы продуктов и хорошо оборудованная база позволят части экспедиции остаться на планете до следующего рейса корабля с Земли. Таким образом, уже первая экспедиция может создать постоянную базу на Марсе.

Это также следствие использования для полёта ядерного двигателя, благодаря которому весовые ограничения резко снижаются, а также — возможности использовать возможности марсианской атмосферы для получения воды, кислорода, материалов и продуктов питания. Но для этого необходимо иметь на планете и надёжные ядерные источники электричества. Они являются, как и ядерный двигатель корабля — ключевыми устройствами для осуществления такой, кажущейся фантастической экспедиции.



Заключение


Технические возможности и современные технологии позволяют отправить на Марс полноценную, хорошо оснащённую экспедицию, с большими возможностями для жизни и работы на планете. Недостающие технические средства и технологии могут быть созданы в ближайшие 10-20 лет и могут применятся для полётов практически по всей Солнечной системе, где возможно обеспечить длительное нахождение людей.

Высадка на спутники планет-гигантов также возможна, но мощные радиационные пояса могут потребовать технически неприемлемых средств защиты. В целом, можно констатировать, что применение ядерной энергии в двигателях планетолёта позволит решить практически все проблемы освоения Солнечной системы человеком.




Ю.Н.Бондаренко, 7 сентября 2010 года


Поделиться в соцсетях

Facebook Twitter Google+ Vkontakte

Комментариев нет:

Отправить комментарий